扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现

扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现 西北工业大学硕，学付 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 摘要 摘要 利用硅的压阻效应和微电子技术制作的扩散硅力敏传感器是近,,年来发展非常迅速的一种新型传感器。扩散硅传感器以其灵敏度输出高，动态响应好，测量精度高，稳定性好，易于小型化和批量生产等优点广泛地应用于石油、化工、冶金、电力等行业。但由于半导体的温度特性，传感器的性能要受温度的影响而发生变化，而现有的技术水平还无法生产没有温度漂移的传感器，所以，温度补偿一直是扩散硅压力传感器研究和生产的一个关键技术问题。 本文首先从半导体原理及电路原理方面论述了扩散硅压力传感器零点及灵敏度温度漂移产生的原因，然后介绍了几种常用的软件补偿方法并进行了简单比较。在此基础之上，提出扩散硅压力传感器温度补偿系统的实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 系统以高性能微处理器,,,,,,,和,,,,,,,,,为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 核心，由数据采集电路、数据处理电路、电源电路、外围接口电路等组成的节点模块。,,,;,,,负责压力与温度信号的采集和,,转换，,,,,,,,,,负责数据处理与外部通信。采用先查表后插值的办法分两步对扩散硅压力传感器的非线性和温度漂移特性进行补偿。实验数据表明，补偿后扩散硅压力传感器的非线性由补偿前的,(,,,,降低到,(,,,,,以内。温度零点漂移和温度灵敏度漂移也有显著降低，该补偿系统的补偿效果是十分明显的。同时，扩散硅压力传感器连接该节点模块后，输出信号由模拟信号转换为数字信号，采用,,,,,总线通信，提高了传输距离和抗干扰能力，可以直接与,;机与智能仪表相连接，并且具有多只传感器组网功能。使传统的压力传感器能够在工业自动化中进行多点远程精密测量和控制。 该设计方法成本低，软硬件设计简洁，功能全面，补偿效果明显、扩展灵活等优势;并且有较高的集成度和可靠性，利于安装、调试和检测;在自动化数据采集和控制中具有广泛的应用前景，具有深入研究和应用价值。关键词:压力传感器，扩散硅，单片机，温度漂移，温度补偿西北工业大学硕士学位论文 ,,,,,,;, ,,,,,,;, ,, ,,,缸;, ,,,,;?,,;,,,糟,,,,,, 幽,, ,,,,;,, ,,,,,?,,,,,“,,锄,,,,;，,(,,,;,,,,,; ,,;,,，,,,,,, ,,船,,,,, ,,,,，,,,, ,, ,,,, ,, ,,,,,(，),圮,, ,,, ,,,,硒,,锣，,,,,?;,,,;,，,,,, ,,姗, ,,,,,,,,,，,鹊, ,, ,,,,,,土，】,,,,,,,,，,鹪, ,，伐,,;,, ,,,, ;,;(, ,,,,,,,, ,,, ?椋?,咖,,,,’;,训;,,，,削,,,萄;,,，,,,盯,,,,,,,,,,觚, ,,盱,,;,,墙(,,,,,,;, ,,, ,;,,,廿,,,,, ,,,,;, ,,,训;,,,,;衙， ,,,, ,,喻粼, ,,,,,,;,, ,,，,,,, ,, ,,,,;,锄,,, ,, ,;,,,,,,,鹏(,,, ,,, ,?,,,他,,,,,,、?,,,,,,, ,锄,蹦,鹏,,,,， ;缸’, ,,,,,,,雠, ,, ,,,,,,,，?,酆,,,,,,，,,, ;,,,,,,土,,, ,, , ,,, ,,;,,,,,, ,, ,,,,代,,,,;,,,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,;?,,,,,,?,,,眦 ,,,,, ,,,盯,,,;瑚,,, ,, ;,,,,,,,, ,, ,,,, ,,, ,,,,诳,,,, ,,，,,,,栅, ,，,,, ,,,,,,,,;, ,,,,;,, ,,,,,,,,?,,,,丘,, ,,,,;,,,,;,,,‘曲,;,,,, 粕, ;,,;,,, ,幽;,,,,，,,,,,,,,,?,,;,, ,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,?;,,,,,,,,,, ,,,，),,锄,西,,, , ,,,,,,;,,,撕,,,(,,,,, ,,,,,，, ,,, ,;,,;,,,鹏;,,,,,,,,,,, ,,,,;,, ,,锄胁,,;,,(,,,,, ,,,,,,,,,，,,,,,,,, ,,,,伊,,,,,,, ,,廿,,, ,,,,,, ,, ,,,;,,,, ,, ,,,, ,,,,,,觚, ,,,,,;,,,,,,;;,,,,,,,,,,, ,,,,锄,,,,,, ,, ,,,;,,,,, ,, ,,,,,, ,,, 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传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。传感器是信息采集系统的首要部件，几乎应用于所有的技术领域。由于大规模集成技术的高速发展，计算机、通信技术已经过关，并已普及到各行各业和千家万户，惟独传感器尚处于落后状态，形成瓶颈工业，谁掌握了这项关键技术，谁就为高新技术和自动化的高速发展铺平了道路【,,】。,(,压力传感器的国内外发展现状 在工业生产过程中，温度、流量、压力、位移是最常见的工业参数，其中压力参数的检测显得尤为重要，应用最为面广量大。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位移、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一强，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。它们在石油、化工、火电厂、冶金等工业部门得到了广泛的应用【,,,。 在,,,,年，美国,,,,,,,,,公司推出了全世界第一台智能化现场仪表,,,,,,,,,,系列，同时日本的,,,,，,,公司推出,,,,,,,,智能压力传感器，研制出压阻式多功能传感器，用微处理器及软件补偿，提高了测量精度，减小了温漂，并且有故障自我诊断和数字通讯遥控调整功能。,,,,年，美国,,,,,,,,,公司又推出了,,,,,,一,,,系列智能压力传感器，它是在,,,,,,—,,,系列的基础上增加了较完善的自诊断功能，双向通讯功能。在此期间美国,,,,,,,,,公司推出了姒,, 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 (,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,;,,，寻址远程传感器数据线)，德国,,,;,公司推出,,, ,,,协议。同期,,,,,,,,公司、,,,,，,,公司、,,,,—，, ,,,,,,,公司也推出了功能类似的工业级产品，其中部分产品由当时的中国电子器材总公司引进国内，曾在一些重要部门应用。这时，军事领域 开始装备智能传感器。,,,,年以后，智能压力传感器特别是智能差压传感器得到了较快的发展，以美国,,,,,,,,,公司为代表的西方国家不但开发了全数字技术和远程组态系统，而且推西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论出了多种型号的现场控制系统，,,,。 ,,年代后，我国将传感器的研究放在重要位置上并取得了显著成果，,,,,年，河北工业大学研制了,,,一,型智能压力传感器，它可长期稳定地工作在环境温度变化较为频繁的场所;,,,,年，西安交通大学电子信息工程学院综合自动化研究所为三峡工程研制了体积小于国内电流、电压输出型固态压力传感器，并且有防水、防尘和抗震能力的智能压力传感器口,】;,,,,年，哈尔滨工业大学微电子教研室研制了在压力传感器芯片上集成温度敏感元件制成的压力一温度多功?艽衅鳎?秤柚悄芑墒迪执笪露确段诘娜砍萄沽π藕诺奈露补偿;,,,,年湖南长沙索普测控技术有限公司研制的纳米压力传感器获成功，产品整体性能超过美国超微传感器，实现了传感器在高温、高压等恶劣环境下的长期稳定性和可靠性，提高了传感器精度等级、温度特性等各方面性能指标。,,,,年“耐高温压力传感器”经过,年攻关西安交大研制成功，该硅隔离耐高温微型压力传感器，能在一,,,,,,。,环境下进行压力测量，可完成,,,,,,,以下任意量程范围的压力测量，能承受,,,,。,瞬时高温冲击，性能指标达到国际先进水平。 虽然在某些方面己赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国的传感器技术的研究和生产还比较落后，与国外有较大差距;目前的传感器，无论在数量上、质量上和功能上，还远远不适应社会多方面发展的需要。主要是:品种不全、产量过低、温度范围较小、长期稳定性与可靠性较差、集成度不高;随着国内市场需求量越来越大;大量压力传感器需要进口，特别是高精度产品。,(,压阻式压力传感器简介 压力传感器应用范围广，种类繁多，按照测量压力范围不同可分为:微压传感器、低压传感器、高压传感器、超高压传感器。按工作原理来分类，可以分为:压阻式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器、压电式压力传感器、智能式压力传感器等。用所使用的材料对压力传感器进行分类:金属压力传感器、半导体压力传感器、金属一氧化物压力传感器、光学压力传感器等【,川;可根据测量对象可分为:表压、绝对压力、差压等。,(,(,压阻式压力传感器的发展 硅的压阻效应是,,,,年由,(,(,,,,,首先发现，,,,,年贝尔实验室研制出硅力敏电阻，此后压阻传感器开始问世【,,,。西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 压阻效应:沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。详细的公式推倒及原理在本论文中不作介绍，在相关的教材与资料中大都已作出分析。 压阻压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一，压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性极好;硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器等。它在生物，医疗，航天，海洋工程，原予能等各种尖端科技和工业领域等都有着广泛的前途。这类传感器具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定 性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器【,,】。 早期的压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感器元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片;,,世纪,,年代以后，压阻式压力传感器发展成为在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条，在压力作用于其上时，硅膜片产生应变，从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号，称为扩散硅式压力传感器。由于四差动臂惠特斯通电桥具有最高的灵敏度、最好的温度补偿性能和最高的输出线性度，因此，在压力测量中，电阻条通常连接成等臂、等电阻应变率的四差动臂惠特斯通电桥。本文将对此种压力传感器的温度特性进行研究。 由于压力的原因，硅晶体的电阻发生变化，变化的大小与受到的压力大小有关，同时与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩散杂质的表面浓度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。表面杂质浓度低时，压阻系数随温度升高而下降较快，提高表面杂质浓度，压阻系数下降随温度升高而变慢。,(,(,压阻式扩散硅传感器的特点 扩散硅传感器与其它类型的传感器相比有许多优点: (,)频率响应高。由于没有活动部件，其本身就是一个固定部件，因此固有频率很高。目前扩散硅传感器的固有频率达,(,洲,以上，这一特点对于系统的动态西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论测量是十分重要的。 (,)体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感元件可做得很小，这就使传感器结构微型化。传感器的外径一般可达,(,舳，最小可,(,,,，这是其它类型传感器目前还达不到的。 (,)精度高。它没有传动机构造成的摩擦误差，也消除了一般传感器中金属膜片或应变计粘贴时因蠕变、迟滞产生的误差，所以大大提高了传感器的精度。目前，扩散硅传感器精度一般在,(,,,,(,,,之间，最高可达,(,,,。 (,)灵敏度高。它比金属应变计的灵敏度高很多倍，有些场合可不加放大器。 (,)由于扩散硅传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐振、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强，可工作在恶劣的环境条件中。 扩散硅传感器也存在如下一些不足之处: (,)由于扩散硅传感器是用半导体材料制作的， 受温度影响较大，因而在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。 (,)工艺比较复杂，对研制条件要求高而严格， 尤其是烧结、封装工艺，而其成本较高。,(,(,对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义 在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使,个桥臂电阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度,,,,。 压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传感器 进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。 ,西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论,(,扩散硅压力传感器温度补偿研究现状 在对压阻式压力传感器的温度误差补偿这一领域里，国外一直都走在前列，早在多年前就己经有人在从事这方面的研究，并取得了很大的进步，提出了很多种不同的补偿方法，并己将某些研究成果应用于相关的生产实践中。例如美国著名的传感器公司,,,,,,公司就基于相关的补偿方法研制出了一套补偿系统，并己经应用于生产，但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售，而且其价格十分昂贵，每台售价大约要,,万美元瞄,。 在国内，近年来在这方面的理论研究也取得了很大的进步，如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的温度灵敏度自补偿工艺，但是都苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小，难以实现在生产线上快速自动的补偿，效率不高刚。 由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因，温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题，近年来发表此方面的论文也比较多，归纳起来有两大类: (,)硬件补偿:在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。 (,)软件补偿:软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器温度的附加误差进行修正。软件补偿的算法有曲线拟合法和表格法。曲线拟合法又可分为最佳拟合直线法和多项式曲线拟合法。还有反函数法及目前应用甚广的神经网络法等。都可用于压力传感器温度漂移的补偿。 硬件电路进行校正大都存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差、成本高等缺点。软件补偿的效果要比硬件补偿好，达到的精度更高，而且成本较低。综合温度补偿法不仅可以补偿压力传感器因温度变化造成的影响，而且可改善非线性指标，是提高压力传感器全精度的一项有利措施，能够确保压力传感器在规定的温度范围内的总精度得到改善。故本文将采用软件的方法对扩散硅压力传感器的温度漂移进行补偿。,(,本论文的主要工作内容 (,)扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析:介绍了扩散硅压力传感器温度漂移的原因，并对传感器温度特性进行半导体理论分析和电路理论分析。 (,)简单介绍了查表法、曲线拟合法、神经网络法三种常用的软件补偿算法，西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论并结合实际，选用较为简单，并且具有很好的实时性和精度的先查表后插值分步对非线性和温度漂移进行补偿。 (,)详细描述了补偿系统的设计方法，并对其中主要组成部分的原理、结构、特点和性能进行了分析和设计。 (,)对完成后的压力传感器补偿系统进行温度实验，获得实验数据，对压力传感器补偿前后的温度，精度等特性进行分析。 ,西北工业大学硕士学位论文 第二章扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析 第二章扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析 在生产应用中，直接或间接用作计量器具的传感器所面临的问题是准确度和可靠性问题。传感器有时会因精度、长期稳定性以及热漂移问题而受到应用限制。而对于扩散硅传感器来说，热漂移问题是决定其特性好坏的一大关键指标。因为在工业现场中，生产环境温度变化范围宽，而半导体力敏电阻压阻系数的温度系数也很大，在环境变化时会产生工作特性漂移与灵敏度不稳定，使检测系统发生变化而造成测量值随环境温度变化，出现测量误差，影响了压力传感器的特性。扩散硅压力传感器温度漂移可分为以下两种: (,)零点热漂移:由于组成测量电桥的各个桥臂电阻的温度系数不一致，致使不加压时电桥输出(零点输出)失衡，并且这一状态随温度变化而 发生变化。造成零点输出失衡及零点热漂移的主要原因集中在工艺上，如加工尺寸，掺杂浓度及均匀性，掺杂层厚度等。 (,)灵敏度热漂移:由于灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数为温度的函数， 因此在加压情况下，电桥的满量程输出也要随温度变化而变化。造成灵敏度热漂移的其他原因还有掺杂浓度过大或过小，电阻条与底座之间热膨胀系数不一致等。 虽然可以考虑采用冷却或恒温措施，但大多数工况中无法做到这一点，所以一般需要在电路硬件或软件方面采取措施进行温度补偿。所谓温度补偿就是利用检测系统自身的几个环节(或传感器的几个部件)受温度影响产生的变化相反而互相抵消的作用，或在检测系统中附加一个环节、一个电路或一段程序，用它去控制检测系统的输出值，使之不随环境温度的变化而变化(严格的说应该是被控制在测量误差允许的范围之内)。 在对压力传感器进行温度补偿前，我们需要先了解零点漂移及灵敏度漂移的产生原因。,(,零点输出及其热漂移的产生原因 所谓零点输出就是指在某一参考温度和一定电激励(恒流源或恒压源供电)条件下，无外加压力时压力传感器的输出【,,】。.